清华大学张强课题组：海水基电解液在锌空气电池中的首次应用

已有 1266 次阅读 2021-5-16 19:04 |个人分类:精选文章|系统分类:论文交流

清华大学张强课题组：海水基电解液在锌空气电池中的首次应用

研究导读

与当前主流的锂离子电池技术相比，锌空气电池作为下一代电化学能源储能技术，在能量密度、安全性、经济性等方面具有较大优势。如果在锌空气电池体系中使用海水替代去离子水进行电解液的制备，将进一步降低电池体系成本，减少与淡水资源的竞争，并拓宽金属空气电池的应用领域。但目前尚无适用的催化剂评估与成功的电池原型研发，主要的焦点在于海水中的复杂组分对空气电极催化剂活性与电池整体性能的影响。近日，清华大学张强教授课题组在Green Chemical Engineering上发表题为“Seawater-Based Electrolyte for Zinc–Air Batteries”的研究性工作。

该工作首先系统地研究了氯离子对催化剂反应活性和电池性能的影响规律，发现目前典型的贵金属与非贵金属催化剂均可有效匹配含氯电解液。进一步将海水基电解液首次应用于锌空气电池，在能量效率、比容量、倍率性能等方面均取得了不亚于传统电解液的水平。最后，对基于不同海域海水的电解液进行了性能比较与应用展示，成功研发了海水基锌空气电池原型，同时指导了自然资源在能源存储领域的未来应用方向。

研究背景

随着锂离子电池的能量密度、安全性、成本问题的凸显，下一代电化学储能技术的研发十分必要。近年来，锌空气电池技术取得长足进展，在催化剂、空气电极结构、锌负极等多方面新突破不断涌现。然而，作为水系二次电池技术，锌空气电池在电解液领域的研究较为缓慢。

海水作为地球上分布最广的自然资源之一，由于巨大的成本优势与经济效益，在电化学领域开始崭露头角，譬如电解水制氢应用。所以其在水系金属空气电池中的应用也应当引起关注。以锌空气电池为例，目前广泛使用的电解液由高纯度去离子水与溶解的碱与锌盐组成。而海水可视为含有以Cl−为主的多种溶解离子的复杂溶液。一方面具备取代传统电解液中去离子水组分的巨大潜力，另一方面，其中的杂质离子与不可溶组分可能对空气电极催化反应和整体电池性能构成挑战。早些时期，本课题组发表了题为“Seawater electrolyte-based metal–air batteries: From strategies to applications (Energy Environ. Sci., 2020, DOI: 10.1039/d0ee01617a)的综述文章，从热力学和动力学角度全面分析了海水环境对于空气电极反应的影响机制，总结了针对含氯和海水基电解液的ORR/OER催化剂设计策略，并梳理了相关水系金属空气电池发展历史和应用场景。在理论综述的基础上，本课题组进一步对海水基电解液在锌空气电池中的应用进行了系统研究。全面评价了含氯环境对催化反应过程和电池性能的影响，分析了相关双功能催化剂的适用性。并首次将海水基电解液成功应用于锌空气电池（图1）。

图1. 使用海水基电解液的锌空气电池的结构原型。

氯离子对催化剂性能的影响

氯离子是海水的首要溶解组分与关键影响因素，因此本工作首先对含氯电解液进行研究。理论上，氯离子吸附效应、氯析出竞争效应等副反应可能对ORR/OER催化过程产生负面影响。而催化剂在含氯环境的表现一方面决定于其本征催化性能，另一方面受多尺度结构的影响，包括活性位点的暴露情况和传质与导电能力。本工作首先分析了氯离子对双功能催化剂活性的影响规律，以评估含氯电解液的理论可行性，这里以商业化Pt/C–Ir/C与负载于石墨烯表面的Co3O4纳米颗粒（Co3O4/G）分别作为贵金属与非贵金属ORR/OER双功能催化剂的代表。

图2展示了Pt/C–Ir/C在添加了不同浓度NaCl的电解液中的催化活性，发现随着NaCl浓度的增加，尽管ORR过程的极限电流密度不断减小，但半波电位（E1/2）稳定在0.85 V左右，OER过程的E10电位也仅有30 mV的下降。Co3O4/G的表现相似但略有不同，主要在于E10随着NaCl的引入反而略有增加，此时可能存在氯析出副反应。总体上，两种双功能催化剂对一定浓度以内的NaCl（ 收藏 IP: 82.211.223.*| 热度|